Insight into seismic behaviour of timber shear-wall systems

Questa tesi di dottorato è il risultato di tre anni di attività di ricerca in ambito ingegneristico strutturale applicato allo studio di sistemi costruttivi innovativi in legno. Il principale obiettivo è quello di fornire un contributo alla ricerca scientifica internazionale e ai metodi attuali di progettazione in merito alla risposta sismica di sistemi in legno a pareti sismo-resistenti, i quali rappresentano tutt’ora un’innovazione nel settore delle costruzioni e si stanno diffondendo grazie alle loro caratteristiche favorevoli. Una panoramica iniziale sull’utilizzo dei principali sistemi strutturali in legno in zone sismiche per la realizzazione di edifici bassi o di media altezza viene fornita e contestualizzata nella vigente normativa sismica europea. La prima parte della tesi affronta il tema della progettazione sismica di sistemi a pareti in legno, con particolare attenzione ai criteri di modellazione lineare e non lineare, proponendo diverse strategie ed evidenziandone le caratteristiche. In questa parte vengono forniti inoltre definizioni e concetti fondamentali propri dell’analisi sismica di strutture in legno. Un’attenzione particolare è riservata alla definizione e applicazione del “capacity design”, sottolineandone lo stretto legame con il concetto di fattore di struttura. Viene proposta infine una definizione del fattore di struttura come prodotto tra una parte intrinseca alla struttura e una sovraresistenza di progetto. Tale definizione permette di caratterizzare i sistemi strutturali con la propria capacità dissipativa e di valutare separatamente la riserva di sicurezza introdotta dalla progettazione. La seconda parte della tesi analizza il comportamento strutturale della tecnologia X-Lam (CLT), che rappresenta uno dei più comuni sistemi strutturali in legno. In questa parte vengono approfonditi i concetti di duttilità, capacità dissipativa, regolarità e irregolarità applicati al sistema X-Lam. La risposta sismica e la capacità dissipativa di questo sistema sono state preliminarmente valutate tramite una procedura analitico-sperimentale. Modelli numerici non-lineari hanno quindi permesso di valutarne la capacità dissipativa intrinseca in funzione delle variabili costruttive proprie del sistema. I risultati mostrano come le decisioni costruttive in fase di progettazione influenzino la risposta sismica dell’edificio; ciò è in contrasto all’applicazione di un unico valore del fattore di struttura per l’intera tecnologia X-Lam. Un’analisi statistica applicata a tali risultati numerici ha consentito di proporre formulazioni analitiche per il fattore di struttura per edifici regolari in funzione delle caratteristiche dell’edificio stesso. Infine, le stesse analisi condotte su edifici non regolari in altezza hanno fornito un coefficiente per tenere in conto della riduzione di capacità dissipativa a causa dell’irregolarità. Nella terza parte viene presentata un’applicazione della tecnologia X-Lam per costruire edifici alti, analizzando il comportamento di edifici snelli con nucleo sismo-resistente e pareti aggiuntive perimetrali. Vengono riportati inoltre le principali limitazioni e inconvenienti nel realizzare tali strutture in aree caratterizzate da elevata intensità sismica e le loro implicazioni nella progettazione. La parte finale descrive e analizza tre sistemi strutturali in legno innovativi, come alternative a tecnologie più comuni, quali X-Lam o platform-frame. Questi sistemi, soggetti ad azioni sismiche, sono caratterizzati da una capacità deformativa e dissipativa diffusa, al contrario del sistema X-Lam in cui tale capacità è concentrata principalmente negli elementi di connessione. Questa risposta differente è studiata attraverso test sperimentali quasi statici e simulazioni numeriche. In dettaglio, sono presentati e analizzati due sistemi a pareti massicce stratificate; realizzate senza l’uso di colla tra gli strati e una parete ibrida acciaio-legno con un sistema innovativo di controvento.